CN103429876A - 与电机联接的机械传动系的状况监测 - Google Patents

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Abstract

提供了一种监测机械传动系的健康的方法。该方法包括：从与机械传动系联接的电机的至少一个相获取电压和电流信号。该方法还包括：基于所获得的电压和电流信号，将具有非正弦磁通分布的电机表示为多个谐波阶次正弦分布虚拟电机的组合。该方法还包括：确定与正弦分布虚拟电机的一个或多个组合相关联的转矩曲线。最后，该方法包括：基于转矩曲线或频谱，检测机械传动系中异常的存在。

Description

与电机联接的机械传动系的状况监测
技术领域
本发明大体上涉及状况监测，且更特定地涉及检测与电机联接的机械传动系中的异常的方法和系统。
背景技术
通常，功率产生单元包括机械传动系和电机。这种电机通常包括发电机或马达，其可为同步型或异步型的。另外，机械传动系包括往复式发动机、燃气涡轮、风力涡轮或压缩机。通常，机械传动系在操作过程中被认为带有问题或异常。这种异常的非限制性示例包括多缸往复式发动机中的死缸或故障缸，其导致大量燃料损失。因此，这种功率产生单元的健康主要使用安装在机械传动系中的多个传感器系统来监测。目前，传感器系统包括专用传感器，其用于测量振动、温度和压力以用于确定机械传动系中的任何异常。这种传感器系统易于失效且需要频繁维护。该传感器还需要频繁校准以用于感测准确的测量，并且进一步增加复杂性以用于进行用来检测异常的测量。此外，这种传感器系统涉及功率产生单元的额外费用。
因此，存在持续的需要以用于对准确检测功率产生单元的机械传动系中的异常进行改进。
发明内容
根据本发明的实施例，提供了一种监测机械传动系的健康的方法。该方法包括：从与机械传动系联接的电机的至少一个相获取电压和电流信号。该方法还包括：基于所获得的电压和电流信号，将具有非正弦磁通分布的电机表示为多个谐波阶次(harmonic order)正弦分布虚拟电机的组合。该方法还包括：确定与正弦分布虚拟电机的一个或多个组合相关联的转矩曲线。最后，该方法包括：基于转矩曲线，检测机械传动系中异常的存在。
根据本发明的实施例，提供了一种用于监测机械传动系的健康的系统。该系统包括与联接至机械传动系的电机通信的装置模块。装置模块被配置为测量机器的特性并且包括存储器，其中存储器包括指令以用于：从与机械传动系联接的电机的至少一个相获得电压和电流信号；基于所获得的电压和电流信号，将具有非正弦磁通分布的电机表示为多个谐波阶次正弦分布虚拟电机的组合；确定与正弦分布虚拟电机的一个或多个组合相关联的转矩曲线；以及基于转矩曲线检测机械传动系中异常的存在。
根据本发明的实施例，提供了一种用于监测机械传动系的健康的方法。该方法包括：从与机械传动系联接的电机的至少一个相获得电压和电流信号；以及基于所获得的电压和电流信号的代数运算而检测机械传动系中异常的存在。
附图说明
当参考附图阅读下面的详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在所有附图中相似标号表示相似部件，其中：
图1是根据本发明的实施例的用于确定功率转换单元的机械传动系中的异常的系统的框图。
图2示出根据本发明的实施例的通过非正弦分布电机设定的n阶谐波磁链(flux linkage)矢量。
图3是根据本发明的实施例的连接在相同轴上的具有各种瞬时速度的多个虚拟电机的表示。
图4示出根据本发明的实施例的以不同电角速度(electrical angular speed)旋转的不同谐波磁链矢量。
图5示出根据本发明的实施例的归因于负载转矩脉动的幅度调制，其导致非正弦分布电机中的定子磁链矢量的电角速度的振荡。
图6示出根据本发明的实施例的从所估计转矩的频谱识别的基本谐波，以进一步估计准确的电角速度we*。
图7示出根据本发明的实施例的转矩曲线的非限制性示例，其针对连接至电机的单缸往复式发动机产生。
图8示出根据本发明的实施例的多缸转矩曲线的叠加表示的非限制性示例。
图9示出根据本发明的实施例的根据给定点火顺序运行的非故障多缸往复式发动机的所得转矩曲线的非限制性示例。
图10示出根据给定点火顺序运行的故障多缸往复式发动机的转矩曲线的另一非限制性示例。
图11示出经滤波的转矩曲线的非限制性示例，其绘出故障缸的驱动端和非驱动端的相位信息。
图12是根据本发明的实施例的监测功率产生单元中的机械传动系的健康的方法400的流程图。
具体实施方式
当介绍本发明的各种实施例的元件时，用词“一”、“一个”、“该”和“所述”意图表示存在一个或多个该元件。用语“包含”、“包括”和“具有”意图为包含性的，并且意味着可存在除所列元件之外的额外元件。操作参数的任何示例并不排除所公开实施例的其他参数。
图1是根据本发明的实施例的用于确定功率产生单元的机械传动系12中的异常的系统10的框图。系统10包括通过轴16联接至机械传动系12的电机14。一般而言，电机14包括发电机或马达，其可为同步型或异步型的。在一个实施例中，机械传动系12包括带有一个或多个气缸的往复式发动机，该一个或多个气缸使用指定点火顺序点火。在另一实施例中，机械传动系12还可包括压缩机、泵或由马达驱动的任何其它机械系统。在非限制性示例中，这种功率产生单元被用于柴油机车中，其中机械传动系是通过轴联接至发电机的十二缸往复式柴油发动机。在另一实施例中，机械传动系12包括泵。发电机将电功率发送至位于每个车轴处的牵引马达并给柴油机车的车轮提供功率。
此外，为了控制和监测电机14，诸如继电器(relay)、仪表或任何其它合适装置的装置模块18连接至电机14。应当理解，装置模块18可包括计算机的构件，或者可为计算机。例如，如所描绘的，装置模块18包括处理器20、存储器22和显示器24。显示器24包括视频和/或音频显示能力。存储器22包括任何合适的易失性存储器、非易失性存储器或者其组合。存储器22存储任何参数、算法或者用于监测和控制功率产生单元的其它数据，并且进一步允许由处理器24读取该数据。应当注意，本发明的实施例不限于用于执行本发明的处理任务的任何特定处理器。术语“处理器”(如该术语在文中所用)旨在表示能够执行需要用来执行本发明的任务的计算或运算的任何机器。术语“处理器”旨在表示能够接受结构化输入并按照规定规则处理该输入以产生输出的任何机器。还应注意，处理器可配备有用于执行本发明的任务的硬件和软件的组合，如本领域技术人员将理解的。
装置模块18监测电机14的各种参数。在非限制性示例中，装置模块18连接至电机14中的各种监测构件，例如传感器、变压器等。监测构件用以监测电流、电压或任何其他参数。如由线26所示，装置模块18从连接至机械传动系12的电机14接收三相定子电流(Ia, Ib, Ic)。此外，如由线28所示，装置18从连接至机械传动系12的电机14接收三相定子电压(Va, Vb, Vc)。应当理解，各种信号处理构件可被包括在装置模块18中或在电机14与装置模块18之间，例如信号调节器、放大器、滤波器等。装置模块18还包括开关机构以控制功率产生单元的操作。如下面进一步说明的，装置模块18可响应于异常而经由开关关闭机械传动系12。
此外，装置模块18的存储器22包括用以执行转矩估计算法的多个指令，以用于确定机械传动系12中的转矩的准确值及随后的异常。在一个实施例中，存储器24中的指令包括：从电机14获得或接收三相定子电流信号26(Ia, Ib和Ic)和三相定子电压28(Va, Vb和Vc)，电机14通过轴16连接至机械传动系12。在另一实施例中，指令包括：基于所获得的电压和电流信号，将具有非正弦磁通分布的电机14表示为多个较高谐波阶次正弦分布虚拟电机的组合。应当注意，电机14中的非正弦磁通分布是由于插槽和齿部中的非理想绕组分布、凸极、连接至电机的定子终端的不平衡功率供应或负载阻抗、或者电机14中的任何几何不规则引起的。一般而言，转矩估计方程式由下式给出：
Figure 2012800132584100002DEST_PATH_IMAGE002
                                                                      (1)
其中，是电流矢量I S 的复共轭，且
Figure 2012800132584100002DEST_PATH_IMAGE006
是所得磁链矢量，所得磁链矢量
Figure 694363DEST_PATH_IMAGE006
从电机14的定子电压和定子电流进一步估计为：
Figure 2012800132584100002DEST_PATH_IMAGE008
                                                                 (2)
其中，V s 是定子电压，I s 是定子电流，R s 是电阻，L s 是定子电路的电感，并且
Figure 2012800132584100002DEST_PATH_IMAGE010
是由转子MMF(磁动势)单独建立的磁链。
然而，由于电机14中的非正弦磁通分布，在磁链矢量和电流矢量
Figure 204290DEST_PATH_IMAGE004
中存在若干谐波，如：
Figure 2012800132584100002DEST_PATH_IMAGE012
                                                 (3)
Figure 2012800132584100002DEST_PATH_IMAGE014
                                                                         (4)
其中，we*是每个磁通和电流谐波的电角速度，并且a是电流矢量关于其他矢量的相位位移。we是所得磁链矢量的电角速度。由转子MMF单独建立的磁链
Figure 661816DEST_PATH_IMAGE010
可表示为：
Figure 2012800132584100002DEST_PATH_IMAGE016
因此，一般而言，由非正弦电机建立的n阶谐波磁链矢量可被表示为图2中那样。因此显然，n阶谐波定子磁链
Figure 2012800132584100002DEST_PATH_IMAGE018
以电角速度nwe*旋转，正如由转子建立的n阶谐波磁链那样。
电流和磁通的谐波的相互作用形成所估计转矩中的波动分量，其通过当前传统方法不准确地计算。因此，本发明包括多个虚拟机的概念以克服该问题，如图3中所示。
图3示出根据本发明的实施例的谐波阶次正弦分布的多个虚拟电机42的表示40，其连接在相同轴上并具有不同的极数。多个虚拟电机的转子以相同机械速度wm旋转，但产生带有不同电角速度we*、5we*、7we*等的磁链矢量。角速度we是从终端观察的所得磁链矢量的瞬时速度，角速度wm是所有虚拟机所连接的轴的瞬时机械速度，并且角速度we*是由基本虚拟机产生的磁链矢量的瞬时速度且与wm相关：
Figure 2012800132584100002DEST_PATH_IMAGE022
                                                                             (3)
其中，P是电机的极数。
因此，确定轴上的机械转矩T m 的第一方法可被表示为：
Figure 2012800132584100002DEST_PATH_IMAGE024
其中，P in 是输入功率且Re是相乘的
Figure 2012800132584100002DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 850089DEST_PATH_IMAGE004
的实部。在每个瞬间，we*可通过将在终端观察的所得磁链矢量分解成以相应谐波速度旋转的若干谐波而估计，如在图4的表示50中所示。这种分解可针对不同n值使用
Figure 672552DEST_PATH_IMAGE020
的幅度的比率信息得到。该信息可通过在开路状况期间在定子终端处获得谐波电压的比率而获取。
应当注意，电机14(图1中示出)中的非正弦磁通分布也是由于机械传动系12所施加的负载脉动引起的。由于负载脉动，磁链矢量的每个谐波被调幅。假设转子的机械角速度在wm处恒定，边带(sideband)出现在所得磁通频谱中的基本频率分量的任一侧上。因此，n阶谐波定子磁链
Figure 939585DEST_PATH_IMAGE018
的电角速度不再是nwe*。这种现象在图5中说明。因此，为了计算磁链矢量we*的正确瞬时速度，考虑磁链的基本频率分量。
此外，准确瞬时速度we*的确定包括：首先对所得磁链矢量的实部或虚部采取快速傅立叶变换(FFT)。其次，由于所有谐波具有类似的幅度调制模式，因而选择任何n阶谐波并除去边带，如在图6的表示60中所示，其中选择谐波62并除去其余的边带。第三，所有剩余的频率被认为是零并从修正FFT重建时域矢量。最后，得到矢量的速度被认为是对应瞬时速度nwe*的准确估计。因此，使用输入功率P in 获取每个虚拟机的速度以确定对应于每个虚拟机的转矩的准确值。
在确定准确电速度we*的另一方法中，首先，通过转子MMF建立的磁链
Figure 2012800132584100002DEST_PATH_IMAGE028
由下式确定：
其次，类似于图6中描述的方法，考虑所有其它频率为零，采取FFT并获取任何n阶谐波。然后重建时域矢量，并且其速度被认为是对应电速度nwe*的准确估计。因此获取每个虚拟机的速度以从输入功率P in 确定转矩。
在估计转矩的第二方法中，对每个谐波电机估计各自的转矩曲线。如图3中所示，n阶机器具有磁极数nP。因此，总转矩由各个转矩曲线组成为：
Figure 2012800132584100002DEST_PATH_IMAGE032
在一个实施例中，存储器24(图1中示出)中的指令包括确定与正弦分布虚拟电机的一个或多个组合关联的转矩曲线。为了准确地确定转矩曲线，指令还包括确定与基本正弦分布虚拟电机相关联的第一转矩曲线。指令还包括确定与二阶谐波正弦分布虚拟电机相关联的第二转矩曲线，并且类似地包括确定与后续谐波阶次正弦分布虚拟电机相关联的多个后续转矩曲线。此外，指令包括将第一转矩曲线、第二转矩曲线和后续转矩曲线组合以准确地产生转矩曲线。最后，系统10(图1中示出)通过将转矩曲线与一组预期转矩曲线(基于机械传动系的一个或多个构件中的故障)进行比较而检测机械传动系中的异常。在一个实施例中，检测异常的方法包括：使用发动机的点火顺序的信息来确定死缸或者具有大量燃料损失的故障缸的存在。
在图7中示出针对连接至电机的单缸往复式发动机(原动机)产生的转矩曲线100的非限制性示例。图的y轴以牛顿-米为单位描绘转矩。图的x轴以旋转度数为单位表示发动机气缸的曲柄角。转矩曲线100显示单缸往复式发动机的旋转的完整周期的多个相(phase，阶段)(压缩102、做功冲程106、排气104、进气108)。
类似地，图8示出多缸转矩曲线122的叠加的表示120的非限制性示例。图的y轴以牛顿-米为单位描绘转矩。图的x轴以旋转度数为单位表示发动机气缸的曲柄角。转矩曲线122清楚地显示机械传动系的对应的多个发动机气缸的点火顺序。在该实施例中，点火顺序信息124对于机械传动系(12缸往复式发动机)给定，以用于减小振动并实现平稳运行，为了较长发动机疲劳寿命。
此外，图9示出根据给定点火顺序运行的非故障多缸往复式发动机的所得转矩曲线150的非限制性示例。图的y轴以牛顿-米为单位描绘转矩。图的x轴以秒为单位表示时间。图10示出根据给定点火顺序运行的故障多缸往复式发动机的转矩曲线200的另一非限制性示例。转矩曲线示出其中一个发动机气缸中的故障202。如所论述的，这种故障可包括死缸或往复式发动机的故障缸的燃料损失。这种故障导致转矩频谱中的一组主要谐波为这样的顺序：
   
其中，N是气缸数，且wrm是发动机的机械转速。这进一步导致基本故障频率。应当注意，转矩谐波在四冲程发动机的1/2操作速度的所有倍数和二冲程发动机的操作速度的所有倍数处出现。
在一个实施例中，对于所有气缸的完整点火，处理器20(图1中示出)使用机械传动系的旋转数的信息针对故障发动机计算转矩曲线中的基本故障频率。系统10(图1中示出)还以所计算基本故障频率的时间间隔确定在基本故障频率周围的转矩频谱中的边带频率分量的存在和幅度。边带频率的幅度指示异常的严重程度。此外，系统10(图1中示出)包括通过滤波第三转矩曲线以获取所计算基本故障频率的幅度而检测异常。此外，故障发动机气缸使用从经滤波转矩曲线获取的相位信息来识别。
图11示出经滤波转矩曲线300的非限制性示例，其绘出驱动端故障缸302和非驱动端故障缸304的相位信息。如图所示，对应于驱动端故障(切断气缸)缸302的转矩曲线的峰值的特性信息在对应时刻被捕获。通过使用该时间信息并与机械原动机的点火顺序信息相映射，从而确定故障缸。类似地，鉴于在机械传动系的点火顺序中出现的时间延迟，非驱动端故障缸304波形关于驱动端故障缸302波形呈现大约180度的偏移。如果任何其他气缸有故障，则将会存在一些其他相移，其可被独特地映射至故障缸的位置。
图12是监测功率转换单元中的机械传动系的健康的方法400的流程图。该方法包括：在步骤402，从与机械传动系联接的电机的至少一个相获得电压和电流信号。该方法还包括：在步骤404，基于所获得的电压和电流信号，将具有非正弦磁通分布的电机表示为多个谐波阶次正弦分布虚拟电机的组合。此外，在步骤406，该方法包括确定与正弦分布虚拟电机的一个或多个组合相关联的转矩曲线。转矩曲线的准确确定还包括下列步骤：确定与基本正弦分布虚拟电机相关联的第一转矩曲线。此外，该方法还包括确定与二阶谐波正弦分布虚拟电机相关联的第二转矩曲线，并且类似地包括确定与后续谐波阶次正弦分布虚拟电机相关联的多个后续转矩曲线。如步骤406中所论述的，最后通过组合第一转矩曲线、第二转矩曲线和后续转矩曲线而产生转矩曲线。
最后在步骤408，该方法包括基于转矩曲线检测机械传动系中异常的存在。检测机械传动系中异常的存在还包括：从转矩曲线估计频谱；确定转矩频谱中的多个频率分量的幅度和相位；以及将该频谱与来自健康驱动链的预期频谱相比较以确定故障或异常的性质。应当注意，转矩频谱中的多个频率分量的幅度指示机械传动系的异常的严重程度，而转矩频谱中的多个频率分量的相位指示机械传动系的异常的位置。该方法步骤最后包括通过转矩频谱的适当滤波而及时获取频率分量。
优选地，本方法和系统使得能够处理来自电机的信息以用于快速和容易地检测机械传动系中的异常，例如死缸、故障缸中的燃料损失等。此外，上述算法在与各种计算机和/或机器一起使用时提供了资产(例如往复式发动机)的在线监测能力，并且允许用户预先计划关机过程和带有故障缸作为异常的往复式发动机的维护。
此外，本领域技术人员将从不同实施例认识到各种特征的可互换性。类似地，根据本公开的原理，所描述的各种方法步骤和特征以及对于每个这种方法和特征而言的其它已知等同物可由本领域普通技术人员混合和匹配以构造另外的系统和技术。当然应当理解，根据任何特定实施例，不一定可实现上述所有这些目的或优点。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本文中所描述的系统和技术可以以如下方式实施或实现：实现或优化如本文中所教导的一个优点或一组优点，而不一定实现如本文中所教导或建议的其他目的或优点。
虽然本文已说明和描述了本发明的仅仅某些特征，但是本领域技术人员将会想到出现许多修改和变化。因此应当理解，所附权利要求意图覆盖落入本发明的真实精神内的所有此类修改和变化。

Claims (18)

1. 一种监测机械传动系的健康的方法，所述方法包括：
从与所述机械传动系联接的电机的至少一个相获得电压和电流信号；
基于所获得的电压和电流信号，将具有非正弦磁通分布的所述电机表示为多个谐波阶次正弦分布虚拟电机的组合；
确定与所述正弦分布虚拟电机的一个或多个组合相关联的转矩曲线或频谱；
基于所述转矩曲线或频谱，检测所述机械传动系中异常的存在。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过将所述转矩曲线与基于所述机械传动系的一个或多个构件中的故障的一组预期转矩曲线进行比较，从而检测所述异常。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
确定与基本正弦分布虚拟电机相关联的第一转矩曲线；
确定与二阶谐波正弦分布虚拟电机相关联的第二转矩曲线；
确定与后续谐波阶次正弦分布虚拟电机相关联的多个后续转矩曲线；以及
将所述第一转矩曲线、所述第二转矩曲线以及所述后续转矩曲线组合，以准确地产生所述转矩曲线。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，组合还包括：将适当的增益和相位因子乘以与所述基本、二阶和后续更高阶谐波正弦分布虚拟电机对应的所述第一转矩曲线、所述第二转矩曲线和所述后续转矩曲线。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电机中的非正弦磁通分布是由于插槽、齿部中的非理想绕组分布、凸极、连接至所述电机的定子终端的不平衡功率供应或负载阻抗、或者所述电机中的任何几何不规则引起的。
6. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电机中的非正弦磁通分布是由于由连接至所述电机的所述机械传动系施加的脉动而引起的。
7. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述机械传动系包括与所述机械传动系的一个或多个构件中的故障相关联的多个频率分量和多个周期。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括：基于所述多个周期和所述多个频率分量，检测所述机械传动系中的异常。
9. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述频率分量使用所述机械传动系的一个或多个构件中的故障的所述多个周期的信息来计算。
10. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，检测所述机械传动系中异常的存在的方法还包括：
从所述转矩曲线估计频谱；
确定所述转矩频谱中的所述多个频率分量的幅度和相位；以及
将所述频谱与健康传动系的预期频谱相比较，以确定所述异常。
11. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述转矩频谱中的所述多个频率分量的幅度指示所述机械传动系的异常的严重程度。
12. 根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述转矩频谱中的所述多个频率分量的相位指示所述机械传动系的异常的位置。
13. 根据权利要求8所述的方法，其特征在于，检测所述异常还包括通过所述转矩频谱的适当滤波而及时获取频率分量。
14. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括确定所述谐波阶次正弦分布虚拟电机中的每一个的对应角速度。
15. 根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括：基于输入功率和所述谐波阶次正弦分布虚拟电机的对应角速度，确定所述机械传动系中的异常。
16. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括测量所述电机的多个机器参数，其中所述机器参数包括定子电感、定子电阻和漏电感。
17. 一种用于监测机械传动系的健康的系统，所述系统包括：
与联接至所述机械传动系的电机通信的装置模块，且所述装置模块被配置为测量所述电机的特性，所述装置包括存储器，其中所述存储器包括指令以用于：
       从与所述机械传动系联接的所述电机的至少一个相获得电压和电流信号；
       基于所获得的电压和电流信号，将具有非正弦磁通分布的所述电机表示为多个谐波阶次正弦分布虚拟电机的组合；
       确定与所述正弦分布虚拟电机的一个或多个组合相关联的转矩曲线或频谱；
       基于所述转矩曲线或频谱，检测所述机械传动系中异常的存在。
18. 一种监测机械传动系的健康的方法，所述方法包括：
从与所述机械传动系联接的电机的至少一个相获得电压和电流信号；以及
基于所获得的电压和电流信号的代数运算，检测所述机械传动系中异常的存在。
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